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什么樣的光源才能用作可見光通信(LiFi)
2017-05-31 11:45:35
近年來,隨著白光發光二極管(LED)技術的大力發展,可見光通信(Visible Light Communication,VLC)成為新一代無線通信技術的研究熱點之一。VLC也叫LiFi(Light Fidelity),2011年,來自愛丁堡大學的德國物理學家Hardal Hass教授在TED大會上發表了一個關于LiFi技術的演講,首次將“VLC”稱為“LiFi”。

LiFi是一種基于光(而不是電波)的新興無線通信技術,結合了光的照明功能和數據通信功能,如圖1所示。LiFi是在不影響LED照明的同時,將信號調制在LED光源上,通過快速開關產生人眼無法感知的高頻閃爍信號來傳送數據。
 

LiFi的優勢
相比于當前主流的WiFi通信技術,LiFi有如下優勢:
(1)容量方面,無線電波的頻譜很擁擠,而可見光的頻譜寬度(約400THz)比無線電波多10000倍;
(2)效率方面,無線電波基站的效率只有5%,大多數能量只是消耗在基站的冷卻上,而LiFi的數據可以并行傳輸,同時提高效率;
(3)實用性方面,無線電波只是在基站中獲取,不能在飛機上、手術室或者加油站使用WiFi,而全球的每個燈都可容易地接入LiFi熱點;
(4)安全性方面,無線電波很容易被侵入,而可見光不可以穿墻,甚至窗簾,提供了網絡的隱私安全。
作為兼顧照明和通信的新技術,LiFi在追求高傳輸速率的同時,不能影響照明的質量和要求,尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具備通信光源調制性能好、發射功率大和響應靈敏度高等優點,又要滿足照明光源高亮度、低功耗和輻射范圍廣等特點。

LiFi光源選擇
1、LED
目前LiFi技術采用的光源大多數是白光LED,很大一部分的原因得益于LED技術的快速發展。而白光LED的實現方式主要有:藍色LED芯片激發黃綠色熒光粉轉換成白光(PC-LED)、紫外光或紫外LED激發三原色熒光粉產生白光和紅、綠、藍3種LED芯片封裝在一起混合產生白光(RGB-LED)?,F階段商用的白光LED產品根據光譜成分的不同,主要分為兩大類:PC-LED和RGB-LED,兩類白光LED的光譜如圖2所示。
 

LED的調制帶寬決定了通信系統的信道容量和傳輸速率,研究LED器件的調制特性是提升新型LiFi系統性能的關鍵問題之一。LED調制帶寬的定義是當LED輸出的交流光功率下降到某一參考頻率值的50%時(-3dB)的頻率。由于PC-LED的黃色熒光粉光譜部分的光電響應比較滯后,如圖3所示,導致LiFi光源的調制帶寬限制在幾個兆赫茲以內,從而限制了整個系統的通信速率,即使在接收端采用藍色濾波片也未能明顯改善該光源的缺陷。

 

因此,越來越多的LiFi研究將光源轉向RGB LED,它能提供較高的調制帶寬,在3種顏色的光波上用波分復用的方式提高信道容量,調制不同的數據并行傳輸,并在接收端通過各顏色的濾波片分別接收3種顏色,有效提高發送效率。但是RGB-LED中不同顏色的LED對于輸出光通有不同的工作溫度依賴性,為了實現工作溫度獨立的色點,需要對每個單色LED的反饋循環和驅動電流進行單獨控制,這樣對器件的制備帶來了較高的成本和復雜的調制電路。LED的調制帶寬受響應速率限制,而響應速率又受載流子壽命的影響。除了設計調制電路,降低RC(resistance-times-capacitance)延時之外,常規提高器件調制帶寬的方法是增加電子空穴的輻射復合速率,減少載流子自發輻射壽命。常用載流子復合ABC模型如公式(1)所示。
什么樣的LED光源才能用作可見光通信
式中,N表示發光有源層的載流子濃度,單位為cm-3,A表示Shockley-Read-Hall(SRH)介質缺陷復合系數,B表示自發輻射(雙分子)系數,C表示Auger復合系數,BN2表示自發輻射速率。通過增加注入載流子濃度來減少載流子自發輻射壽命,而增加載流子濃度的方法有加大注入電流和Delta摻雜。大電流下,注入載流子濃度增加,因而激子復合幾率增加,輻射復合載流子壽命降低,電光轉換快速響應。Delta摻雜技術也實現了載流子的大量注入,從而降低了載流子壽命,實現相同電流密度下調制帶寬的提高。
載流子濃度的變化會影響到LED的內量子效率,如公式(2)所示:
什么樣的LED光源才能用作可見光通信
式中,εrad是內量子效率。如表1所示,其中A、B、C的取值選取文獻中實驗的賦值,而理論的常規賦值中Auger復合系數比實驗得到的結果小了4個數量級,可能的原因是雜質和聲子作為中間介質參與Auger復合過程,使得C值實際中很大。另外一種可能是droop效應是由載流子溢出等作用的結果,與Auger輻射無關。

由載流子ABC模型能夠獲得測試設備很難測量的重要電光特性,如載流子濃度-內量子效率曲線,如圖4所示。在理論值的計算上,內量子效率漸漸趨于100%,但是實際中LED器件的內量子效率會出現上升到峰值再下降的droop效應,并且輸出光通量與注入電流的關系也會有droop效應。LED的調制通常發生在工作區,在飽和區進行調制會帶來很差的信噪比,所以要控制好注入電流的范圍。

 

2、LD(激光二極管)
由于研究人員不滿足LED調制達到的數據傳輸速率,LiFi的首次提出者HardalHass教授用激光二極管替換了現有的LED,利用激光器的高能量與高光效,傳輸數據的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波長的光產生白色光,類似于RGBLED。雖然基于LED的LiFi可達到10Gb/s的數據傳輸速率,可以改善WiFi中7Gb/s的數據傳輸速率上限,但是激光傳輸數據的速率可以很容易超出100Gb/s。最新的報道顯示,美國亞利桑那州立大學電子、計算機和能源工程學院的研發團隊研制出納米級別的白光激光器,其可以更加便利地用作LiFi光源。
在通信方面,激光二極管相比于LED,具有更快的響應速度、可以直接進行調制和耦合效率高等優點。對于普通的電注入式半導體激光器,當注入電流超過某一值時,LD可以發射受輸入電流控制的調制光,其調制特性如圖5所示,該點電流稱為閾值電流,閾值電流以上部分直到飽和區都屬于LD的工作區,而調制范圍最好在線性區域內進行,所以降低器件的閾值電流,獲得較大的調制工作區顯得很重要。

閾值電流密度如公式(3)所示
什么樣的LED光源才能用作可見光通信
式中,Jth是閾值電流密度;e是電子元電荷;d是有源層厚度;Iinj是注入電流;N’是透明載流子濃度;αm和αi分別是鏡面損耗和光學吸收損耗;Γg0是最大的模式增益;B和C分別是輻射復合系數和Auger復合系數。
垂直腔面發射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSELs)就具有低閾值、寬調制和高光電轉換效率等優勢,美國PrincetonOptronics公司研制出集成多個VCSELs列陣的激光照明模塊,連續輸出功率超過650W,如圖6所示。但是隨著注入電流的增加,高功率的VCSELs就會激發出多重橫模,導致器件用于通訊光源時誤碼率增大,所以要對高功率的VCSELs器件的出射模式進行偏振選擇。

半導體激光器的光輸出能夠直接調制,最常用的激光器輸出調制是控制流經器件的電流進行幅度調制或脈沖調制。激光二極管的調制帶寬B<ω0,其中ω0是類共振頻率,而在閾值之上,調制帶寬可以近似寫作公式(4)
什么樣的LED光源才能用作可見光通信
式中,τ是載流子壽命;τS是光子壽命;J是注入電流密度;J,是透明電流密度;σ是自發輻射因子;Γ是光限制因子,而
什么樣的LED光源才能用作可見光通信
其中,c是光速,n是折射率。如果在LD的激射區域忽略自發輻射,即σ=0,從公式(4)發現調制帶寬和注入電流密度就是正相關的線性關系,但是實際中的半導體激光器有droop效應,而且除了主模之外,邊模也有很強的弛豫振蕩。所以在微腔的微小體積中,自發輻射因子是較大的,普通激光器的σ=10-5~10-4,而微腔激光器的σ可能增大到0.1以上,甚至接近于1。
盡管LiFi的光源可以選擇激光二極管,而且2014年諾貝爾物理學獎獲得者之一中村修二也在預言未來激光照明可能要取代LED照明,但是當前的主流照明新技術還是推廣性價比較高、技術相對成熟的LED,并且對于LiFi光源的特點,研發高亮度、高效率和高速調制的LED器件方向可以更快地推動LiFi技術的商業化。

LiFi光源的顏色
與WiFi只是關注通信性能的提升不同,LiFi的照明系統必須要考慮在提升通信性能的同時保證照明的質量。所以LiFi的光源不管是LED還是LD,都是要輸出白光,而白光的顏色質量對于照明來說是非常重要的。
LED燈具顏色特征參數可以由光譜功率分布(SPD)來計算。SPD是相對于光波長的輸出強度分布的數學表達,可以提供關于光譜組分的詳細信息。在LiFi系統中,隨著LED的驅動電流變化,SPD會有偏差。偏差的SPD能導致感知的色點漂移并且會影響顏色的顯色特性,而LiFi中的特殊調制技術會更加容易受顏色質量退化的影響。通過用SPD模型測量驅動電流變化帶來的SPD偏差,從而可以評價LiFi調制的顏色質量。
但是用SPD模型表征LiFi的顏色質量有很多缺點:模型中需要大量的擬合參數只能通過LED測試的經驗獲得;SPD模型設計是建立在相對靜止的條件,不能解釋LiFi在高頻電流振蕩下的情況;很難用一個SPD模型來適用于所有的LED類型,例如不能解釋PC-LED中的熒光粉材料產生的額外影響。另一方面可以檢測LiFi在工作條件下的實時顏色特性,對于高亮度LED產品,LED的制造商需要提供不同驅動電流和調制頻率下的顏色數據,如SPD、顏色坐標和顯色指數(CRI)。
因為LiFi在傳輸數據或者空閑狀態時需要提供足夠亮度的無閃爍照明服務,所以LiFi設備需要具備閃爍去除和亮度調節的功能。在IEEE發布的IEEEPAR1789《LED照明閃爍的潛在健康影響(草案)》中采用了波動深度對閃爍問題進行評價。而LiFi的光源調制頻率至少是每秒數百萬次,所以LiFi光源的閃爍是屬于無風險級別的。在亮度調節方面,除了OOK(開關鍵控)和VPPM(可變脈沖位置調制),還有CSK(色漂鍵控)調節。
2011年9月,規定了傳輸速度最高為95Mbit/s的可見光通信國際標準IEEE802.15.7制定完成,而且標準制定委員會的首要任務是推行“照明第一、通信第二”。
標準中的物理層PHYⅠ和Ⅱ分別支持OOK調節與VPPM調節,而物理層PHYⅢ采用CSK調制,支持多光源帶寬。將可見光劃分為7段光帶,用3位bit標識不同的光帶ID號,CSK根據光帶ID號將數據調制在不同波長的光波上并行傳輸,提高光譜利用率,通過選擇顏色的ID標識改變組合,達到亮度調節的目的。對于LED光源,物理層PHYⅢ僅工作在RGB-LED器件下,并且適合短幀發送,所以采用CSK調節的LiFi光源可以選擇RGB-LED或者RGBLD,適合用于室內通信。

LiFi系統的光源布局
LiFi以其獨特的優點可以廣泛地應用于:車輛交通、醫院、辦公室、飛機上、國防安全、水下通信、室內定位和危險環境中(如礦井、電廠和加油站等)。尤其是室內定位,美國的ByteLight公司和國內的華策光通信都已經開發出基于白光LED的室內定位系統,能夠實現LiFi的單向傳輸,用于室內的信息推送和定位服務。
但是室內LiFi系統面臨著許多的技術難題,比如在帶來安全性的同時如果光線被擋住了,信號就會斷掉;LiFi的雙向數據傳輸問題等。HardalHass教授也認為LiFi不會取代WiFi,對于室內通信,LiFi可以作為WiFi的良好補充,只是在某些無線電波受限的場所,LiFi有其不錯的應用空間。由于照明和防止陰影效應影響等原因,需要在室內安裝多個LED燈,因而光源的合理布局是影響照明和系統性能的關鍵因素。
為了滿足室內照明的要求,光源的布局不僅要使得室內的照度和照度均勻度滿足相應的標準要求,而且要有利于人的活動安全和舒適。光源要選擇高光效、合適色溫、長壽命和可靠性的產品。室內的照明布局需要考慮基礎照明、重點照明、裝飾照明和應急照明的要求。
考慮到LiFi系統中不同路徑引起的碼間干擾、室內人員走動和物理陰影效應對通信系統的影響,在照顧到重點照明部分的LiFi通信的同時,可以采用OFDM(正交頻分復用)方案提高LiFi系統的整體性能和實現帶寬資源的有效利用。比如基于PC-LED的LiFi系統,采用OFDM調制技術可以通過濾除響應速度較慢的熒光成分,拓展了調制帶寬,還可以對抗多徑效應,實現高速數據傳播和通信,但是這樣的系統是否滿足照明的均勻性還尚未得到證實。

總結
作為相對于WiFi的一種通信技術,LiFi也受到人們越來越多的關注和研究。本文從LiFi的光源要求出發,分別從當前光源選擇、光源的顏色和光源布局3個方面來闡述LiFi光源的研究情況。
在LiFi的光源選擇上,從LED器件的載流子注入角度分析了影響LED調制特性的因素。目前來看,RGB-LED相對于PC-LED有很好的數據傳輸速率,但是需要降低成本,簡化電路設計。對于激光二極管用于LiFi光源的情況,從閾值電流以上的工作區方面分析了半導體激光器的調制特性。
在LiFi的光源顏色上,分析了SPD模型和CSK調制對LiFi光源顏色質量的影響。在LiFi光源的布局上,不僅要通過OFDM調制來降低LiFi系統碼間干擾,提升數據傳輸速率,而且要注意室內照明的均勻性問題。
隨著高亮度、高效率和高速調制的LED器件的研發深入,基于白光LED的LiFi技術會越來越成熟,這會給LED帶來新的發展機遇,正如中村修二所說,LiFi可能會成為LED的又一殺手锏。另外隨著激光照明的研究不斷推進,未來是否激光照明會在LiFi技術中取代LED,也非常值得人們期待。

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